Хотя прошлогоднее открытие гравитационных волн в прошлом году, рожденных столкновением нейтронных звезд, было потрясающим, оно не добавило лишних измерений нашему пониманию Вселенной — буквальных, во всяком случае.
Сила гравитации может показаться сильной, если вам на ногу падает шар для боулинга, но на деле это самое слабое из фундаментальных взаимодействий. Сравните ее с электромагнетизмом: притяжения всей гравитации Земли не помешает вам прилепить магнитик на холодильник. Эта слабость невероятно усложняет измерение гравитации.
С самого момента своего появления 13,8 миллиарда лет назад Вселенная продолжает расширяться, разбрасывая сотни миллиардов галактик и звезд как изюм в быстро поднимающемся тесте. Астрономы направляли телескопы на некоторые звезды и другие космические источники, чтобы измерить их удаленность от Земли и скорость удаления — два параметра, которые необходимы для расчета постоянной Хаббла, единицы измерения, которая описывает скорость расширения Вселенной.
Благодаря эффекту гравитационного линзирования космический телескоп «Хаббл» смог получить фотографии звезды, удаленной от нас на 9 миллиардов световых лет, что на данный момент стало рекордом наблюдений за одинарным объектом, расположенным настолько далеко от нашей Солнечной системы.
В 2016 году американский астронавт Скотт Келли вернулся на Землю спустя 340 дней нахождения на борту Международной космической станции (МКС). Столь продолжительное космическое путешествие стало частью программы аэрокосмического агентства NASA по изучению последствий долгого пребывания в космосе, а также проверкой предела человеческой выносливости при длительном нахождении в условиях микрогравитации. В конечном итоге со всем тем же придется столкнуться астронавтам, которые в перспективе должны будут отправиться на Марс и, возможно, за его пределы.
В 1935 году, когда квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна были очень молоды, не шибко известный советский физик Матвей Бронштейн, будучи в возрасте 28 лет, сделал первое подробное исследование на тему согласования этих двух теорий в квантовой теории гравитации. Эта, «возможно, теория всего мира в целом», как писал Бронштейн, могла бы вытеснить классическое эйнштейново описание гравитации, в котором она видится кривыми в пространственно-временном континууме, и переписать его квантовым языком, как и всю остальную физику.
Общая теория относительности Эйнштейна, в которой гравитация рождается вследствие искривления пространства-времени, замечательна. Она была подтверждена с невероятным уровнем точности, в некоторых случаях до пятнадцати знаков после запятой. Одним из самых интересных ее предсказаний было существование гравитационных волн: ряби в пространстве-времени, которая свободно распространяется. Не так давно эти волны были пойманы детекторами LIGO и VIRGO.
Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. Хотя все массы Вселенной все еще будут воздействовать на него гравитационно, они также будут притягивать и любой космический аппарат, в котором находится человек, поэтому он будет плавать. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж некоего космического судна вполне успешно ходит ногами по полу при любых условиях. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?
Как примирить два столпа современной физики: квантовую теорию и гравитацию? Один или оба должны уступить и сдаться. Новый подход говорит, что гравитация может вытекать из случайных флуктуаций на квантовом уровне, что делает квантовую механику фундаментальнее из этих двух теорий. Два наших основных объяснения реальности утверждают, что квантовая теория управляет взаимодействиями наименьших частиц материи. Общая теория относительности же касается гравитации и крупнейших структур во Вселенной. С тех пор, как Эйнштейн создал свою знаменитую теорию, физики пытались преодолеть разрыв между ними, но безуспешно.
Астрономы NASA пытаются заглянуть все дальше и дальше во Вселенную, и поэтому им необходимы большие и очень мощные телескопы. И именно по этой причине команда специалистов из Лаборатории реактивного движения (JPL) предложила идею использования самого крупного объекта в нашей системе – Солнца – в качестве гигантского космического «увеличительного стекла».
Когда мы видим космонавтов в космосе, плавающих выше земной атмосферы, мы говорим, что они испытывают нулевую гравитацию: истинную невесомость. Но ведь их все равно гравитационно притягивают Земля, Луна, Солнце и любая другая масса во Вселенной. Что же такое нулевая гравитация? Существует ли она в принципе? Проводятся ли эксперименты на МКС в условиях «нулевой гравитации»?
Новая и весьма спорная гипотеза о нашем неправильном понимании гравитации только что успешно справилась со своим первым испытанием. Впервые предложенная в 2010 году, эта гипотеза настаивает на том, что гравитация может появляться и вести себя совсем не так, как это описывается Эйнштейном. При этом проведенное независимое исследование более 30 000 галактик позволило найти первое доказательство в пользу такого мнения.
Если посмотреть на Солнце через 150 миллионов километров космоса, который разделяет наш мир от ближайшей звезды, свет, который вы видите, не показывает Солнце на текущий момент, а каким оно было 8 минут и 20 секунд назад. Это потому что свет движется не мгновенно (а со скоростью света, хаха): его скорость составляет 299 792,458 километра в секунду (подробности этого невероятного факта здесь). Именно такое время нужно свету, чтобы преодолеть путь от фотосферы Солнца до нашей планеты. Но силе тяжести не обязательно нужно вести себя так же; возможно, как предсказывала теория Ньютона, гравитационная сила представляет собой мгновенное явление и ощущается всеми объектами с массой во Вселенной, через все эти огромные космические расстояния, одновременно.
У нас есть все причины полагать, что гравитация является по своей сути квантовой теорией. Но как нам доказать это раз и навсегда? Об этом рассказывает доктор Сабина Носсенфельдер, физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации и физике высоких энергий. Далее от первого лица.
Гравитация в виде гравитационных волн в настоящее время витает в умах многих людей. Мы все испытываем силу тяжести. Подпрыгните — и вы вернетесь на землю. К сожалению для всех, кто хочет стать сверхчеловеком. Но что, если отключить гравитацию? Если однажды сила тяжести исчезнет, полет в космос будет меньшим из зол. Физики уверены, что такого никогда не произойдет. Но что мешает нам проводить мысленные эксперименты? И что думают эксперты на тему внезапного исчезновения гравитации?
Что ж, у вас было достаточно времени, чтобы подумать об открытии LIGO гравитационных волн, понять, что это такое, и сделать для себя интересные выводы. Значимость этого открытия потрясла мир, поэтому вам будет интересно узнать о менее известных его сторонах. Например…
Как мы и предполагали, сегодня было официально объявлено об открытии гравитационных волн. Прямо сейчас проходит конференция LIGO, на которой учёные рассказывают о своём волнительном обнаружении. Команда физиков смогла услышать и записать звук двух чёрных дыр, сталкивающихся в миллиардах световых лет от нас, подтвердив таким образом последнее пророчество общей теории относительности Эйнштейна.
В сентябре физик-теоретик из Калтеха Лоуренс Краусс разместил запись в своём twitter-аккаунте: «Появились слухи об обнаружении детектором LIGO гравитационной волны. Если это окажется правдой, я сообщу вам о деталях позже».
Прошло сто лет с тех пор, как Эйнштейн представил свою общую теорию относительности, но она все так же помогает нам раскрывать глубокие тайны Вселенной. Теперь и миссия LISA Pathfinder («Следопыт») подготовит для нас способ изучения жестоких событий, которые мы раньше не видели — вроде создания массивных черных дыр.
В конце 1990-х физики, к своему ужасу, обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Ничто в «стандартной модели космологии» не могло это объяснить, и поэтому был изобретен новый термин для описания того, что движет ускорением: темная энергия.